【中玻網】隨著世界高科技產業的不斷發展，全部市場對薄型玻璃的需求正日益上升，尤其是平板顯示器和手機用薄型玻璃基板。但玻璃由于其脆性特質和微裂紋的影響，使得玻璃的應用范圍受到限制。經過鋼化處理的玻璃其強度提升3～5倍以上，但同時鋼化玻璃的斷裂強度分散性大，使得玻璃的使用可靠性降低。為了降低玻璃的斷裂強度分散性，提高材料的使用可靠性，Green D J發明了兩步離子交換制備化學鋼化玻璃的方法，即將經過一次離子交換的鋼化玻璃，再進行一次離子交換，第二步離子交換過程是熔鹽中存在著Na+，與玻璃中的K+進行置換，從而降低玻璃表面的K+含量，即可降低表面的壓應力。從玻璃表面到內部存在著K+濃度逐漸升高的過程，K+的濃度梯度也可代表玻璃的壓應力的應力梯度，說明從玻璃表面到內部存在一個應力梯度逐漸上升的趨勢，并且這一應力梯度的高峰與玻璃表面的距離要大于微裂紋的高層度。所以在微裂紋擴展時，玻璃的壓應力會產生一個阻礙微裂紋向內部擴展的效果，并且裂紋擴展過程中受到的阻力會越來越大。故玻璃的斷裂強度分散性會降低，使用可靠性增加。這種經過兩步離子交換過程的化學鋼化玻璃可稱之為Engineered stress profile glass，簡稱化學鋼化工程應力玻璃。

　　本文主要研究兩步離子交換過程中第二步離子交換的時間對離子交換化學鋼化玻璃的性能影響。配備第1步熔鹽組分（質量分數）：KNO3為97.78%，硅藻土為1.68%，K2CO3為0.5%，KOH為0.04%，第1步離子交換溫度分別為450℃，離子交換時間為30 h。配備第二步熔鹽組分（質量分數）：KNO3為72%，NaNO3為28%，第二步離子交換溫度為400℃，時間分別為18 min、33 min、48 min、63 min。試樣由INSTＲON1341電液伺服材料試驗機進行力學性能測試。利用日本JEOL-JXA-8230型電子探針，采用線掃描方法，測試垂直于玻璃表面沿離子擴散方向Na+、K+分布情況。

　　首先探討離子交換時間對玻璃表面K+分布狀態的影響，實驗結果見下圖。

　　圖1不同第二步交換時間的化學鋼化玻璃表面K+離子分布狀態

　　圖2第二步離子交換時間的算術平方根與K+離子高峰位置關系

　　由上圖可以看出，合適的交換時間會形成一個較為尖銳的K+高峰，這樣形成的應力梯度會非常大，能夠產生很好的“R曲線”效應。圖1中18 min的K+高峰位置距玻璃表面過近，48 min的K+高峰處較33 min處更寬，高峰不尖銳，會造成強度分散性變大，Weibull模量可表征這一區別。63 min的K+高峰由于交換時間較長，并沒有形成較為明顯的高峰，“R曲線”效應失效。所以交換時間應為33 min處。根據菲克第二定律公式計算得到K+的離子擴散系數Dk+＝0.885×10-13 m2/s，這一擴散系數反映了第二步離子交換中K+的擴散速率。

　　其次是探討離子交換時間對玻璃表面Na+分布狀態的影響，實驗結果見下圖。

　　圖3不同第二步交換時間的化學鋼化玻璃表面Na+離子分布狀態

　　圖4第二步離子交換時間的算術平方根與Na+離子擴散高層度的關系圖

　　由上圖可以看出，在離子交換過程中熔鹽與玻璃中的離子一直存在濃度梯度，離子交換不斷進行。Na+在經過一個高峰后逐漸下降到低點，之后又緩步上升，趨于穩定。其中Na+的離子擴散系數DNa+＝0.307×10-13 m2/s。K+的離子擴散系數Dk+＝0.885×10-13 m2/s。Dk+＞DNa+，則說明第二步離子交換過程中，主要是Na+的擴散控制著離子交換的速度。

　　第三是探討抗折強度與Weibull模量分析。通過對抗折強度數據計算及分散度統計，得出試樣的Weibull模量，如圖5所示。

　　圖5不同第二步交換時間的化學鋼化玻璃的抗折強度與Weibull模量

　　從圖5可看出，交換時間33 min的化學鋼化玻璃抗折強度很高。

　　顯微硬度分析。圖6是不同第二步交換時間的化學鋼化玻璃顯微硬度。由圖6可以看出，隨著第二步離子交換時間的延長，化學鋼化玻璃的顯微硬度值先升高后下降，在第二步交換時間33 min處達到很大值，同抗折強度趨勢相同。

　　圖6不同第二步交換時間的化學鋼化玻璃顯微硬度

　　經過一系列實驗可以得出：（1）第二步離子交換時間的增加，抗折強度、顯微硬度和Weibull模量趨勢一致，先加大后減小，在33 min處出現很大值。Weibull模量的數值達到45.946，利用該工藝制度制備的同批次玻璃試樣強度斷裂分散性較低。（2）第二步離子交換時間的延長，使K+濃度的高峰向玻璃內部推移，交換時間33 min時，可形成較為尖銳的高峰，提高Weibull模量；隨著第二步交換時間的延長，使Na+高峰向玻璃內部推移，高峰變寬；離子交換過程中由Na+擴散控制交換速度。